（动力工程及工程热物理专业论文）熵产分析法在联合站和外输管道优化中的应用.pdf

摘要 联合站是油气集输系统的重要环节之一，其工艺水平对油田的生产成本起着重要作 用。目前，我国大部分油田已经进入中高含水的开发后期，联合站系统的运行成本在不 断增长，因此，对联合站进行运行优化，是提高经济效益的重要手段。 本文采用熵产分析法分别对联合站和外输管线进行了优化分析。以联合站的总熵产 为目标函数，以破乳剂浓度及加热炉温度等为优化变量，以出站原油含水和各设备运行 要求等为约束条件，建立联合站运行优化的数学模型。以外输管道的比熵产率为目标函 数，以管道的管径、壁厚、保温层厚度和起点温度为优化变量，在满足外输管道输送原 油的要求和管道规格的条件下，建立外输管道的最优化设计的数学模型。采用遗传算法 分别对两种最优化数学模型进行求解，并分别与以经济性最优为目标函数的常规优化方 法所得结果进行了比较。 以孤东某联合站为研究对象，以熵产最小为目标函数，编制了孤东某联合站运行优 化程序。通过参数优化，可将联合站的熵产降低2 1 5 0 ，运行费用降低2 0 7 6 。以比 熵产最小为目标函数对外输管道进行优化设计，得到熵产最小时的外输管道的管径、壁 厚、保温层厚度及起点温度；分析了外输管道起点温度、保温层厚度及管道输量对外输 管道熵产的影响。结果表明，在满足输送要求的范围内，外输管道的比熵产主要由于温 差传热这一不可逆因素引起的；流动摩阻熵产和温差传热熵产随着起点温度的变化趋势 相反；外输管道的比熵产随着保温层厚度和输量的增加而减小，但比熵产率的减小幅度 逐渐降低。 由于经济性最优法含有价格因素，且现实中各种价格是波动的，按价格不变的经济 性最优法得到的结果并不能保证总是最优的。为此考虑原油价格的波动性，对熵产最小 优化法和经济性最优法进行了比较。通过对联合站运行优化和外输管道优化设计这两个 实例计算对比表明，当原油价格涨幅达到一定程度后，熵产最小优化法得到的系统运行 年限内的总费用低于经济性最优法的总费用，而熵产最小优化法的最优结果不会变化， 能恒定地实现系统的节能节质。 关键词：熵产分析，最优化计算，遗传算法，联合站，外输管道 a p p l i c a t i o no fe n t r o p yg e n e r a t i o na n a l y s i sm e t h o di no p t i m i z a t i o no fo i l f i e l dm u l t i p u r p o s es t a t i o na n dd e f i v e r yp i p e l i n e l i uj u n m e i ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya p r o f h u a n gs h a n b o a b s t r a c t t h eo i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t si no i la n d g a sg a t h e r i n g s y s t e m t h et e c h n o l o g yl e v e lo fi ta l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r o d u c t i o nc o s to fo i lf i e l d c u r r e n t l gt h eo i lp r o d u c t i o ni si nt h el a t e rs t a g eo fd e v e l o p m e n tw i t hh i g hm o i s t u r ec o n t e n t f o rt h em o s to i lf i e l di no u rc o u n t r y , w h i c hm a k e st h eo p e r a t i n gc o s tg r o w i n gg r a d u a l l yi nt h e o i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n s o ，i ti sa v e r yi m p o r t a n t 印p f 0 hf o ri m p r o v i n gt h ee c o n o m i cb e n e f i t s t oo p t i m i z et h eo p e r a t i n go fo i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ee n t r o p yg e n e r a t i o na n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e dt oo p t i m i z et h e o p e r a t i n go fo i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o na n dt h ed e l i v e r yp i p e l i n e f i r s t l y , f o rt h e o p t i m i z a t i o no fo i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n ，am a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t ht h e t o t a le n t r o p yg e n e r a t i o na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n t h ed e m u l s i f i e rc o n c e n t r a t i o na n df u r n a c t e m p e r a t u r e a st h eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l e sa n dt h em o i s t u r ec o n t e n to fc r u d eo i l & t h e o p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t so fe a c h d e v i c ea s t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s e c o n d l y , f o rt h e o p t i m i z a t i o n o fd e l i v e r yp i p e l i n e ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ec r u d eo i lt r a n s p o r t a t i o n r e q u i r e m e n t sa n dp i p e l i n es p e c i f i c a t i o n s ，a n o t h e rm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t h t h e s p e c i f i ce n t r o p yg e n e r a t i o n a st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n ，t h ed i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s s ， i n s u l a t i o nt h i c k n e s sa n dt h r e s h o l dt e m p e r a t u r ea st h eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l e s t h e n ，b o t ho ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r es o l v e dw i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h mp r o g r a m ，a n dc o m p a r e d 谢t h t h er e s u l ts o l v e db yt h en o r m a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d 、析也t h ec o s ta st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n a p r o g r a mo fo i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o no p e r a t i n go p t i m i z a t i o nw a sw r o t ew i t ht h e e n t r o p yg e n e r a t i o nm i n i m i z a t i o na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o nf o rt h eg ua o i lf i e l dm u l t i - p u r p o s e s t a t i o n a f t e rp r o c e s s i n go p t i m i z a t i o n ，t h ee n t r o p yg e n e r a t i o ni sd e c e a s e da b o m2 1 5 0 ，a t t h es a m et i m e ，t h eo p e r a t i n gc o s ti sr e d u c e da b o u t2 0 7 6 m o r e o v e r , t h eo p t i m i z a t i o nw a s p r o c e s s e df o rt h ed e l i v e r yp i p e l i n ew i t ht h es p e c i f i ce n t r o p yg e n e r a t i o nm i n i m i z a t i o na st h e o b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n dt h eo p t i m a ld i a m e t e r , t e m p e r a t u r e ，i n s u l a t i o nt h i c k n e s so fd e l i v e r y p i p e l i n ei so b t a i n e d ，m o r e o v e r , t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e ，i n s u l a t i o nt h i c k n e s sa n dp i p e l i n e t r a n s m i s s i o no nt h es p e c i f i ce n t r o p yg e n e r a t i o no fd e l i v e r yp i p e l i n ew a sa n a l y z e d t h er e s u l t s h o ws p e c i f i ce n t r o p yg e n e r a t i o ni sm a i n l yd u ct ot h ei r r e v e r s i b l eh e a tt r a n s f e rc a u s e db y t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，e n t r o p yg e n e r a t i o no ff l o wf i i c t i o na n de n t r o p yg e n e r a t i o nc a u s e db y t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea r eo p p o s i t et r e n dw i t ht h es t a r t i n gp o i n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，a n d a l s os h o wt h es p e c i f i ce n t r o p yg e n e r a t i o no fd e l i v e r yp i p e l i n ei sr e d u c e dw i t ht h et h i c k n e s so f t h ei n s u l a t i o nl a y e ra n dt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yi n c r e a s i n g ，b u tt h ee x t e n to ft h er e d u c i n go ft h e s p e c i f i ce n t r o p yg e n e r a t i o nd e c r e a s eg r a d u a l l y t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fo p t i m a le c o n o m yc o n t a i n sp r i c e sf a c t o r , s oi nr e a l ，w i t h p r i c e sf l u c t u a t i n g ，t h er e s u l tc a nn o tg u a r a n t e eb et h eb e s t c o n s i d e r i n gt h ev o l a t i l i t yo ft h e p r i c eo fc r u d eo i l ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee n t r o p yg e n e r a t i o nm i n i m i z a t i o no p t i m i z a t i o n m e t h o da n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fo p t i m a le c o n o m yw a sp r o c e s s e d a n db o t ho f o p t i m i z a t i o nm e t h o d sw a sa p p l i e dt ot w oe x a m p l e s ，o n ei st h eo p e r a t i n go p t i m i z a t i o no fo i l f i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o na n o t h e ri st h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fd e l i v e r yp i p e l i n e t h ef i n a l r e s u l t sa l ls h o wt h et o t a lc o s to fs y s t e mo p t i m i z e db yt h ee n t r o p yg e n e r a t i o nm i n i m i z a t i o n o p t i m i z a t i o nm e t h o di s l o w e rt h a nt h a tb ya n o t h e ro p t i m i z a t i o nm e t h o di nt h eo p e r a t i o n p e r i o dw h e nt h eg r o w t ho fo i lp r i c e sr i s e st oac e r t a i ne x t e n t w i t hi t so p t i m i z a t i o nr e s u l t u n c h a n g i n g ，t h ee n t r o p yg e n e r a t i o nm i n i m i z a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o dc a n s a v ee n e r g y c o n s t a n t l y k e yw o r d s ：e n t r o p yg e n e r a t i o na n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，o i lf i e l d m u l t i p u r p o s es t a t i o n ，d e l i v e r yp i p e l i n e 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 1 1 研究意义及背景 第一章前言 当今人类社会所处的时代堪称“能源时代”。人们从来没有像今天这样重视能源，世 界能源形势的热点问题更是举世瞩目。目前全世界能源年总消费量中石油、天然气、煤 等化石能源占8 5 ，大部分电力也是依赖化石能源生产的，核能、太阳能、水力、风力、 波浪能、潮汐能、地热等能源仅占1 5 。化石能源价格比较低廉，开发利用的技术也比 较成熟，并且已经系统化和标准化。虽然发达国家遭受7 0 年代两次石油危机打击后， 千方百计摆脱对石油的过度依赖，但是今后2 0 多年里，石油仍然是最主要的能源，全 球需求量将以年均1 9 的速度增长；煤仍然是电力生产的主要燃料，全球需求量将以 每年1 5 的速度增长。可见石油等化石能源仍然是我们在这个星球上赖以生存和发展 的能源基础，世界各国能源消费量与g d p 的增长程度有密切的相关性。 中国是第二大能源生产国与消费国，目前我国正处在人均能源消费量增长较快的起 步阶段，石油需求增势强劲，预计今年原油消费量为2 7 亿吨，2 0 2 0 年将达到4 0 4 5 亿吨，如此巨大的需求，在石油安全和环境等方面都会带来极其严重的问题；而我国是 一个人均能源相对贫乏的国家，尤其是原油，对外依存度已多年超过5 0 ，供需矛盾相 当尖锐；同时，虽然我国的能源供给不足，但是却存在能源的浪费、能源使用的低效率、 以过度消耗有限资源为代价进行粗放式发展、能源环境污染等多种问题。受资金、技术、 能源价格等因素的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。能源综合利用效率为 3 2 ，能源系统总效率为9 3 ，只有发达国家的5 0 左右，而能源利用所引发的环境问 题依然困扰着人们，目前以煤炭、石油为主的世界能源结构带来全球性能源环境问题的 主要表现为酸雨、臭氧层破坏、温室气体排放等。 能源作为经济发展的驱动力，能源的不足会威胁到国家的安全，约束经济的发展， 影响人们生活水平的提高。因此，可以说能源资源是我国重要的战略性资源。 针对上述能源枯竭问题、能源浪费和能源环境污染问题【l 】，世界各国都制定能源发 展战略，将合理利用和节约常规能源、研发清洁的新能源和切实保护生态环境作为基本 国策，以实现经济持续发展、社会全面进步、资源有效利用、环境不断改善的目标，从 而形成如下发展趋势：高新技术成果在能源工业迅速推广应用。能源工业正在由低技术 向高技术过渡，新技术已迅速地渗透到能源勘探、开发、加工、转换、输送、利用的各 第一章前言 个环节，例如自动化生产设备使煤矿开采效率成倍提高，新工艺和新技术促进了深海油 田的开发。据此，我国也提出了“长期坚持节能降耗，提高能源利用率的战略”。节能被 放在能源战略的首要地位，要实现持之以恒地坚持节能降耗，提高能源利用率的战略。 油田是我国重要的能源生产基地，它是由油井、水井、计量间、配水间、转油站、 联合站组成的一个油、气、水处理的综合系统，而联合站是该系统中最重要的组成部分， 也是油田的耗能大户。联合站是实现油气集输的重要场所。就油田的生产全局来说，油 气集输是继油藏勘探、油田开发、采油工程之后的很重要的生产阶段【2 】。联合站油气集 输是将分散的油井产物集中、处理使之成为油田产品的过程，这个过程从油井井口开始， 井口产液经过计量、油气水分离、原油脱水、原油稳定等工艺环节和生产过程被加工成 油田产品，合格的原油与天然气又被分别送往输油管或输气管首站，或炼油厂、石油化 工厂等，这就是联合站的功能所在。 联合站的生产、设备利用，尤其是能源消耗直接影响着整个集输系统。联合站系统 包括多种工艺过程，存在着从多种操作参数组合中寻找出最优运行参数的问题。一般来 说，设计参数主要决定着工程的投资，而运行参数决定着生产的运行费用、运行能耗。 联合站的运行费用和运行能耗是一种持续的费用和消耗，长久来看仍然十分可观，能耗 与费用的节约不可忽视。尤其是油田开发中后期，油田进入特高含水开发期，井口产液 的含水率增大，油气集输处理油水混合物的任务和难度越来越大，联合站原有的流程和 运行参数不再合适，出现“大马拉小车”的问题，联合站的能耗和运行费用越来越高，效 率越来越低。因此，在联合站原有流程的基础上，对联合站进行运行优化是很有必要的。 目前在采用多种技术对联合站的进行以节能为中心的改造后，为进一步实现节能降 耗，通常在能量分析的基础上，以能耗和费用为目标函数，对联合站进行运行优化，实 现联合站整体效益的提高。虽然这些技术和措施提高了能量的利用率，降低了能耗，但 通常都以增加不可逆损失、熵产为代价，这对有限的能源来讲这更是一种浪费。 因此，响应我国节能的能源战略，并鉴于目前联合站运行优化存在的问题，有必要 对联合站的主要能耗设备进行熵产分析，以熵产最小为目标函数实现联合站的运行优 化。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 熵产分析国内外研究现状 1 8 5 0 年克劳修斯提出热力学第二定律，1 8 6 5 年克劳修斯引进状态函数熵，并从数 2 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 学上严格证明了“熵增原理”，完成了热力学第二定律的量化问题熵理论有了很大的 发展。在此后的一百年多年里，熵理论一直是人们谈论的话题，并在科学技术的各个领 域和社会经济生活的各个方面中有所发展和应用，它的引入大大促进了各个学科的快速 发展和进步，已经被证明或证伪的研究成果不计其数【3 】。 熵是与热力学第二定律紧密相连的状态参数，是在热力学第二定律基础上导出的状 态参数。它是判定实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的依据，在过程不可 逆程度的度量、热力学第二定律的量化等方面有至关重要的作用 4 】。熵增原理是自然界 最普遍的规律，自然界的一切现象都遵从熵增原理。热力学第二定律指出：一切的实际 过程都是不可逆的，而一切不可逆过程都会都导致熵产、熵增，使孤立系统的熵一直增 加，直至达到最大值。当系统的熵达到最大值，系统达到平衡状态，一切变化和过程停 止。 人类的一切活动都由能源来推动。能源对人类社会的发展有着重大的、不可磨灭的 作用。但根据熵增原理，人类的生产、生活活动都会推动地球生物圈的熵增，一切不可 逆的过程都会导致熵产的增加，而当地球系统内部熵产多于太阳辐射提供给地球的负熵 流时，地球系统就会退化。尤其是工业革命以来，工业化大生产使得地球系统的熵产迅 速增加，从而导致了温室效应和局部耗散结构崩溃( 物种灭绝和其它环境等问题) 。因 而应对人类的各项活动尤其是工业活动进行熵产分析，这样就可以有选择地限制那些导 致大量熵产生、地球退化的活动，加强那些可以减少熵产生、有利于地球系统进化的活 动，才能使地球系统更好地持续发展下去【6 】。 熵产分析是热力学第二定律的分析方法。它可以得到热力系统在过程中的不可逆损 失的量，使我们更清楚的看出热力系统各部分的不可逆损失的分布状况。工业熵分析即 将熵产分析引入到工业生产行为中，分析工业活动的熵产的方法。工业熵分析往往以熵 生产最小化( e n t r o p yg e n e r a t i o nm i n i m i z a t i o n ，e g m ) 【_ 7 】为目标，从设计和运行角度对 系统进行优化。 传热与对流系统集中存在着多种不可逆现象，熵产分析对该种系统已经进行深入 的研究。a b e j a n 较早地开展了对传热与对流系统熵产分析的研究，他的研究成果对我 国工程热物理界的影响很大，国内众多第一批有关传热与流动工程中熵产分析的研究都 是建立在他的研究成果基础之上的。 对基本流动传热过程的熵产分析，所做的研究主要包括：定热流边界条件下的管内 流动的优化【引，定壁温边界条件下的管内流动的优化【9 】，定壁温和定热流边界 1 0 , 1 1 1 条件 3 第一章前言 下管内流动热进口段的熵产分析和评价。对于基本流动传热过程的熵产分析，一般只考 虑传热和流动摩阻这两个主要的不可逆损失。 1 2 2 输油管优化设计国内外研究现状 输油管道属于基本的流动传热系统。影响输油管道优化的因素很多。目前关于输油 管优化设计的研究主要从其降低能耗与费用方面进行。张新明【1 2 】对长输管道不同管径输 油方案进行比较，选择输油管道的最优管径；包颖【l3 】以与工作压力大小有关的总投资为 目标函数，对工作压力进行优化，其中运用到的管道壁厚按变壁厚考虑；严宏东【1 4 】以无 分支的埋地的含蜡原油加热保温输送长输管路作为研究对象，研究内容主要包括热含蜡 原油管道系统的优化设计。上述文献都只是分别优化管道的某一个参数，但实际管道的 管道参数和运行参数是相互关联、相互影响制约的，t t 同步设计法 【1 5 , 1 6 】逐步被提出。李 友荣等【1 5 1 将“同步设计法”推广到了热力管道的优化设计中，它以热经济学为基础，列出 输油管的热力费用、动力费用、管材和保温层建设的年分摊费用的计算公式，得到热力 管道的总年费用，并以此为目标函数对热力管道进行优化设计，求解热力管道的最佳管 径和最佳保温层厚度，并给出了最佳管径和最佳保温层厚度的计算公式；黄善波等【l 6 】 应用“同步设计法，对外输管道进行了优化设计。盖平原【1 刀基于熵产率最小原理，分析了 原油在输送过程中的散热损失和摩擦阻力引起的熵产情况，优化了熵产率最小所对应的 管道起始加热温度。 1 2 3 联合站运行优化国内外研究现状 针对联合站的运行优化主要集中在降低能量损耗和运行费用方面，尚没有文献将熵 产分析引入到联合站中。联合站的能耗主要是电能、天然气以及各种药剂的消耗，为了 降低油田油气集输的能量消耗和处理成本，设计人员对油气集输系统进行了大量的分析 研究，从节省电能、节省气量、节省加药剂量【l8 】等3 个方面入手，提出了各种有效的节 能降耗技术，如对原油脱水过程进行研究并应用了高效的原油脱水分离设备【l9 ，在总体 布局上进行各类站的功能调整、工艺流程简化改造【2 0 1 ，采用磁化技术、破乳脱水、变频 调节【2 1 】及集输系统中的检测控制等一系列技术和工艺措施，以适应高含水期的油气处理 要求；对原油集输系统进行以节能为中心的技术改造，采用新工艺、新技术和高效设备。 同时考虑对原油集输系统进行以节能为中心的改造后的整个系统的效益，对改造后的系 统进行参数优化，保证在完成各项生产指标的同时，对联合站进行运行参数的优化。 联合站运行参数的最优化时需找出影响联合站能耗的重要因素，确立优化变量，因 4 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 而对联合站进行能量评价是很有必要的。在油田内部进行能量分析，是八十年代初受到 普遍重视并陆续开展起来的一项工作，通过能量分析可了解油田的耗能现状、用能水平、 节能潜力和省能效果，为油田制定以节能降耗为中心的技术改造措施提供可靠的科学依 据瞄】。对联合站的用能评价通常是针对联合站内的原油加热炉、三相分离器、泵类、电 脱水器等主要用能设备、相应的集输管网、主要工艺流程和联合站整体。 目前关于联合站能量分析的文献很多，光就联合站用能分析研究的硕士毕业论文论 文就有数十篇之多，它们详细的介绍了用能分析的原理、分析评价准则，对联合站的主 要设备或联合站整体建立能量平衡模型或火用平衡模型，并以各油田的联合站为实例进行 计算。用能评价已经成为联合站、集输系统进行节能优化改进前，对系统用能状况评价 的一大手段，方便我们找出影响集输系统输油成本、造成能量和熵产的主要因素，为联 合站、集输系统的下一步节能措施的提出提供依据。 安家烈2 3 1 、李华山【2 4 】、刘海涌等嘲等都对联合站建立了能量平衡分析模型，给出 了相应的评价指标和计算方法，并根据计算结果，对联合站在能耗方面存在的问题及节 能潜力进行了分析，提出了相应的节能措施；马刻2 6 】将将石油化工领域常用的系统节能 方法：三环节法和夹点分析法，应用于油田油气集输系统用能分析评价中；陈玉庆【2 7 】 陈玉庆应用热力学能量平衡分析法，建立了集输系统能耗评价的“黑箱一灰箱”数学模 型，编制了原油集输系统效率和能耗分析软件；宛辉【2 8 】宛辉研究特高含水集输系统 优化运行方法，以系统能耗最小为目标建立优化数学模型，给出了模型求解方法；单孝 森2 9 1 、王娜【3 0 】、李英存川在对联合站整体的用能情况做计算分后析，确定影响联合站 运行费用的关键参数，后以运行费用最低为目标函数，建立联合站运行优化数学模型， 并编制软件进行求解。 换热器也是不可逆损失较为集中的热力系统。国内外也已发表了相当多地关于换热 器熵产分析的文献。金岩【3 2 】对火力发电站的多个热力设备：汽轮机、锅炉、发电机组以 及蒸气管道及附属设备进行熵产分析，并通过计算结果，得出了火力发电厂的熵效率， 指出各部分损失的根源，为对联合站各设备进行熵产分析提供的思路。 1 3 论文研究内容 鉴于以上所述，对联合站和外输管线进行熵产分析，并进行联合站系统的运行参数 优化和管道优化设计，是很有必要的。基于此本论文主要进行如下了工作： ( 1 ) 联合站运行优化 5 第一章前言 1 ) 联合站用能分析与熵增分析；选取联合站的进站加热炉、脱水加热炉、一次沉 降罐、二次沉降罐、脱水泵等主要能耗设备，对其进行能量分析，分析推导出它们的熵 产计算式； 2 ) 联合站运行优化模型的建立与求解 根据对联合站站主要能耗设备的熵产分析，建立以熵产为目标函数的联合站运行 优化的优化模型，选取运行优化的优化变量； 采用遗传算法对最优化问题的数学模型进行求解；编写遗传算法程序，确定遗传 算法交叉、变异、选择三个算子及其它的控制参数，处理最优化问题数学模型中的约束 条件； 孤东某联合站的熵产优化分析。根据孤东某联合站流程与测试数据，计算进站加 热炉、脱水加热炉的热效率和脱水泵的效率；在此基础上对联合站进行以熵产最小为目 标函数的运行优化，并与以年运行费用为目标函数的运行优化进行比较；分析联合站降 低熵产的方法。 ( 2 ) 外输管道的优化设计 确定输油管的熵产计算公式，并以最小比熵产率为目标函数，在满足原油外输要 求的条件下，确定管径、壁厚、保温层厚度和输油管起点温度为优化变量，建立输油管 优化的数学模型； 使用遗传算法对外输管道优化设计的数学模型进行求解；对比熵产最小和经济最 优设计的外输管道；计算不同起点温度、保温层厚度、输油管输量时外输管道熵产数值， 绘图并分析。 6 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 第二章熵产分析法的理论基础 联合站是油田的重要能耗单位，对联合站进行以熵产最小为目标函数的运行优化， 需要表示出联合站各设备的熵产，这以对联合站设备的热力学分析为基础。本课题以能 量平衡分析和火用分析为基础，对联合站各设备和输油管进行熵产分析。能量平衡分析从 热力学第一定律出发，给出了进出体系能量数量上的关系；火用分析则给出了进、出体系 火用的关系：熵产是过程不可逆度的度量，熵产分析可以清楚地显示热力学系统各部分的 不可逆损失。 2 1 畿量平衡分析 2 1 1 能量平衡原理 晶 l e 咖 图2 - 1 能量平衡模型 f i 9 2 - 1 t h em o d eo fe n e r g ye q u i l i b r i u m 热力学第一定律即能量守恒与转换定律 3 3 1 ，它指出能量在转换、传递过程中总量是 不变的。设有一个如上图2 1 所示的能量系统。考察这一系统的能量行为，无非是三种 情况：接受外界输入的能量晶，向外输出的能量磊甜，系统内进行着能量形式的转换。 这些行为的最终结果，将表示为系统内储存能的变化，设其变化量为晟伽。按照能量 守恒原理，既、己讲和e 伽三者之间必然遵守下列关系： 既一= 蛆缸( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 表明，在确定时间内，对某个系统能量系统来说，输入与输出的能量之差，恒等 于该系统内贮存能量的变化量。这是工程上获得广泛应用的能量守恒原理，也有的称它 为能量平衡原理。 7 第二章熵产分析法的理论基础 2 1 2 能量平衡方程 能量平衡方程是能量守恒定理应用于具体能量系统的数学描述。上式( 2 1 ) 本身就是 一个能量平衡方程，它适用于任何形式的能量系统，因此可以称之为普适能量平衡方程， 简称能量方程。将式( 2 1 ) 应用于不同的能量系统，即可得到不同形式的能量方程。主要 有以下几种： ( 1 ) 孤立系统能量方程。孤立系统不与外界交换能量。因而有毛= 0 、e 删= 0 。由 此得孤立系统能量方程为： 越加= 0( 2 - 2 ) ( 2 ) 一般开系的能量方程。描述开系贮存能的参数是焓，而不是内能，即 峨h = a h 咖，因而有 e i n = 埘。缸+ 丝州( 2 3 ) 式中，埘。蛔为系统内焓的变化。 若系统进、出口物流的动能与位能可予忽略时，则式( 2 3 ) 可表示为 q = 胡咖+ 胡l 一2 + 形 ( 2 4 ) 式中，埘m 为系统进、出口截面的焓差；q 为系统与外界的换热量；w 为外界对系统 做功做功。上式( 2 4 ) 在工程上有广泛的应用。 若为稳流稳态系统，则崛缸= 0 ，式( 2 - 4 ) 可简化为 q = 胡1 2 + 形 ( 2 5 ) ( 3 ) 循环体系的能量方程。对于循环系统，工质由某状态开始，经过一系列中间状态， 最后又回到了原状态，因此，循环闭口系的皿缸= 0 ，由此得 e 加= ( 2 - 6 ) 若是动力系统，输入系统的能量为由热源吸收的能量q 1 ，输出的能量为功磁和向 冷源放出的热量q 2 ，因而有 包= 形+ q 2 ( 2 7 ) 可见，对于动力系统来说，对外输出的功恰好与工质所得到的净热量相等。 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 2 1 3 工业能量平衡方程 尽管上述的各能量方程原则上均可用于实际用能系统的能量平衡分析，但由于这些 方程计算热效率和能量损失率并不方便，因而在实际工作中常采用如下( 2 8 ) 形式的能量 方程 e s 婶= 易+ 巨 ( 2 - 8 ) 式中，为由外界供给系统的能量；e 矿为系统有效利用的能量；互为系统排放给外 界而又不能利用的能量。 2 1 3 能量平衡评价准则 能量平衡分析以第一定律效率叩。作为评价准则。第一定律效率为有效能量与供给能 量之比，即 ：瑟巽x100：孚100(2-9)rh2 蕊0 0 炉芒粗0 0 式( 2 9 ) 应用于热设备，则得用热设备的评价准则热效率仇，其计算式为 ”粤1 0 0 ( 2 - 1 0 ) 仉2 云 1 0 ) 式中，q 呷为由外界供给系统的热量；鲂为系统有效利用的热量。 2 2 火用平衡模型与火用平衡方程 能量守恒性为能量平衡方程的建立提供了方便，而火用的不守恒性却给火用平衡方程的 建立提供了困难。火用之所以不守恒，是由于能量在传递或转换过程中一部分火用逐渐转化 为火无的缘故，但在此过程中火用的减少就等于火无的增加，由此即可建立火用的平衡方程。 2 2 1 火用平衡模型 在能量传递、转换过程中，火用和火无的总量是不变的。所谓的火用平衡实质上是系统的 火用变( 或火用交变量) 与火无产厶之间的平衡关系。即 e = e + a 。 ( 2 1 1 ) 式中，e 为系统的总量火用；晟为系统的火用值。 将此式用于过程则有：过程的火用减量恒等于火无增量，即一蛾= d a 。，而火无增量的值 9 第二章熵产分析法的理论基础 就是过程总火用损失l ( 内部火用损与外部火用损之和) ，因而有 t l e x 2 = e 矗 ( 2 1 2 ) 式中，晟l 、如分别为进入系统的朋和系统的有效输出火用。 设定输入系统的火用为k ，输出的火用为e 删，则两者之差即是系统内的耗散火甩，也 即内部火用损。由此可将把系统中j 大用的变化表示成如图2 - 2 所示的模型。 这是一个基本的火用平衡模型。 对系统的输出火用迸一步划分，可将其分为两部分：输出火用中的有效部分和排放到环 境中的无效火用部分【3 3 1 。输出炯中的有效部分即系统的有效输出火用e 耐；排放到环境中的 无效火用损即系统的外部火用损e 枷。这样划分后就可以得到一个通用的火用平衡模型，如下 图2 3 所示。 e 咖 e 删 图2 - 2 基本火用平衡模型 f i 9 2 - 2 t h eb a s i cm o d e lo fe x e r g ye q u i l i b r i u m e 嘲 e 埘 e l i 图2 - 3 通用火用平衡模型 f i 9 2 - 3 t h eu n i v e r s a lm o d e lo fe x e r g ye q u i l i b r i u m 上述两种模型是建立火用平衡方程的基本依据。 2 2 2 火用平衡方程 火用平衡方程可以直接根据图2 2 、图2 3 两种火用平衡模型建立。 根据图2 3 得各火用流的关系为 e 咖= e 耐+ e 慨+ e 妇 q 一1 3 ) 上式( 2 1 3 ) 称为通用火用方程，它是火用分析的基本依据。 1 0 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 2 3 熵分析 2 3 1 熵 熵的定义式为 d s ：孥( 2 - 1 4 ) r 式中，地唧为可逆过程的换热量，疋为热源温度。它表示体系的熵产等于体系在可逆过 程中所吸收的热量与体系的热力学温度之比率。如果换热过程可逆，无传热温差，热源 温度正等于工质温度乃这是熵参数的定义式【3 4 1 。 熵是与热力学第二定律紧密相关的状态参数，是体系的状态函数，只要体系的始态 和终态一定，则不管过程是以可逆过程还是不可逆方式进行，体系的熵变总是一个确定 的数值。熵是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据，在过程不可 逆过程的量度、热力学第二定律的量化等方面有至关重要的作用。 2 。3 2 熵产 对于可逆与不可逆的绝热过程，过程中的热量交换都为o 。但对于可逆绝热过程， 慨逆= 0 ，有过程中d s = 0 ，因而可逆绝热过程是定熵过程；对于不可逆绝热过程，过 程的可逆换热固可逆未知，但由于熵是状态参数，根据工程中工质的始、终状态参数， 可以计算出不可逆绝热过程工质的熵变，可得不可逆绝热过程系统的熵增大于零。这是 为什么呢? 根据p 一，与图分析可知，相同的初始状态时，由于不可逆绝热过程中存在摩擦 损耗等不可逆因素，摩擦损耗的机械功所产生的耗散热被工质重新吸收，导致可逆绝热 与不可逆绝热工质的状态变化过程不同、工质的最终状态不同及过程工质的熵变不同。 不可逆因素引起的耗散效应是引起熵增的原因。这部分由耗散效应产生的熵增量，叫做 熵产，以是表示。 绝热闭口系统与外界没有能量和物质的交换，虽然可以与外界交换功，但可逆功不 会引起系统的熵变化。综上，不可逆绝热闭口系统内部的不可逆耗散是引起系统熵增的 唯一原因，该过程中的熵增即为熵产，则有 d s 耐= 田g ( 2 - 1 5 ) 第二章熵产分析法的理论基础 笳a d2 j g 【z 。l o ) 过程中不可逆程度愈大，耗散热愈大，熵产也愈大，熵产是过程不可逆程度的度量，熵 产只可能是正值，极限情况下( 可逆过程) 为零。 2 3 3 熵方程 根据热力学第二定律的数学式，可直接导出各种热力系的熵方程。 ( 1 ) 闭口系( 控制质量) 熵方程【划 闭1 3 系统与外界无物质交换，但可以存在能量和功的交换，对闭口系统使用热力学 第二定律可得心等。熵产是对不可逆程度的度量，可逆过程无熵产，因此对于闭口 系统的可逆过程有砸= 等；对于闭口系统的不可逆过程，系统的熵变大于过程中的 等，其差值即为不可逆因素造成的熵产蝇，即 耻拉筹 o ( 2 - 1 7 ) 或 弧即詈 ( 2 1 8 ) 其中，等是系统与外界之间的换热。由热流引起的那部分熵变为热熵流，简称熵流( 闭 口系只有热熵流) ，用峨q 表示，蛾q 可正、可负、可为零，视系统吸热、放热还是绝 热而定。因而 ( i s = 掰g + 岱f ，q ( 2 1 9 ) 或 丛1 2 = s g + s f ，q ( 2 - 2 0 ) 式( 2 1 9 ) 乘1 式( 2 2 0 ) i 0 为闭口热力学系的熵方程。它表示：控制质量的熵变等于熵流和熵 产之和。 ( 2 1 开口系统( 控制体积) 熵方程 1 2 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 由孤立糸统炳增原理司以导出开口系统炳万栏的一股彤式。图2 - 4 表任恿开口系统， 取微元时间出，在该微元时间内控制体积吸热为坦，进出口流体传递的熵流为s i d m i 和 s 。锄。( i 、e 分别代表开口系统的进出口) 。 控制体积、热源、物质源共同组成一个孤立系统。孤立系统的熵变包括控制体积的 熵变救v 、热源熵变等及物质源熵变s e 拥一i 咖i ( 物质源流出s i 锄i ，流入s 砌e ) 。孤 立系的熵变等于熵产，故有 酊的= 掰。= 曲c v + 等+ s 。锄。一s t 锄； q 捌， 系统的吸热量与热源放热量数值相同，方向相反，故有固，= 一砸，。因而得出 溉= 心c v 一等+ s 。锄。飞锄； ( 2 - 2 2 ) 或 d s c - w = 等q 附枷t 城 ( 2 -